(57)【要約】【課題】この発明は、霧化効率を向上させて消費電力の削減を図るとともに、発生した霧をファン等の手段を用いることなく所望の方向に飛散させることができ、また、界面における液飛沫の発生を可及的に抑制できる超音波霧化装置を得ることを課題とするものである。【解決手段】この発明は、容器内の液体に超音波振動を与えて液面に液柱を形成し前記液体を霧化する超音波霧化装置において、微小な貫通孔６が多数形成された多孔板４と、前記多孔板４を所定位置に配設するための配設手段３とを備え、前記多孔板４は弾性保持部材５を介して前記配設手段３に取り付け、この配設手段３によって前記超音波振動の伝播方向前方において上面４２が前記液体に接触せずかつ下面４１が前記液柱に接触可能に配設して構成する。【選択図】図１
2013221633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の液体に超音波振動を与えて液面に液柱を形成し前記液体を霧化する超音波霧化装置において、
微小な貫通孔が多数形成された多孔板と、前記多孔板を所定位置に配設するための配設手段とを備え、
前記多孔板は弾性保持部材を介して前記配設手段に取り付けられ、この配設手段によって前記超音波振動の伝播方向前方において上面が前記液体に接触せずかつ下面が前記液柱に接触可能に配設された、
超音波霧化装置。
【請求項２】
貫通孔は、多孔板の下面側においてテーパー状に拡径する拡径部を備えた、
請求項１記載の超音波霧化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波振動を利用して容器内の液体を霧化する超音波霧化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波振動子の超音波振動を利用して液体を霧化する超音波霧化装置として、容器内の液体中に超音波振動子を配設して超音波振動を液体内に放射し、液面に液柱を形成して霧化粒子を発生させる装置が知られている（図６参照）。
この超音波振動を利用した霧の発生原理は、液体に超音波振動を与え、液面や液内部に周波数固有のキャピラリ波（毛細表面波）やキャビテーション（空洞現象）を発生させることにより液面に無数の毛細表面波をつくり、霧を発生させるものである。
【０００３】
上記のような超音波霧化装置における霧化は、液中に発せられる超音波振動の指向性に任せて行われているため超音波振動エネルギーの全てが霧化に使用されるものではなく、また、液体の毛細表面波も自然発生的に生じるものであるから、液面に形成された液柱から発生する霧化粒子はいわば偶然の産物として得られるようなものであり、霧化効率が悪いものとなっている。
このことは、逆に言えば、従来の超音波霧化装置にあっては、所定の霧化量を得るために、霧化に貢献しない無駄な超音波振動分を含んだ形で超音波振動を発するように超音波振動子を動作させなければならず、そのために大きな駆動電力が必要になるということを意味するものであり、電力が無駄に消費されているという問題がある。
【０００４】
また、上記の通り、従来の超音波霧化装置は、超音波振動子を動作させるための駆動電力が大きいことから、超音波振動子が発熱しやすく、これを冷却するための冷却ファンが必要となる。
また、水切れ時などのように霧化する液体がなくなり無負荷状態となった場合には、発熱などによって超音波振動子が破損するおそれがあるため、破損防止回路を設けておく必要もある。
このため、従来の超音波霧化装置にあっては、回路や装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００５】
さらに、従来の超音波霧化装置で発生させる霧化粒子は、超音波振動によって液面に形成された液柱から自然に任せて発生させるものであり、湯気のようにゆらゆらと立ち上るにすぎないものであるから、発生した霧を所望の方向に飛散させるためにはファンなどを設けて送風してこれを搬送する必要がある。
また、液面には液柱が形成されるため、界面に液飛沫が生じやすく、液滴が飛散しやすいという問題もある。
【０００６】
この点、特開２００９−２８５８２号公報において、超音波振動子に対向する側の液体中に、超音波振動子から離れる方向に向けて伝播する超音波振動を集中させる筒体を配設することにより、超音波振動エネルギーを有効利用して安定的な霧化量を実現し、低消費電力化・小型化に寄与する超音波霧化装置が提案されている。
しかしながら、この発明は、筒体を用いて超音波振動を集中させて超音波振動エネルギーを高めることによって霧化効率を向上させているが、液面に液柱を形成して霧化粒子を自然発生的に発生させている点においては従来の超音波霧化装置と変わりがなく、また、発生した霧を所望の方向に飛散させるためにファンなどを設ける必要がある点や、界面に液飛沫が生じ液滴が飛散しやすいという問題は解消されていない。
【特許文献１】特開２００９−２８５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、霧化効率を向上させて消費電力の削減を図るとともに、発生した霧をファン等の手段を用いることなく所望の方向に飛散させることができ、また、界面における液飛沫の発生を可及的に抑制できる超音波霧化装置を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の超音波霧化装置は、容器内の液体に超音波振動を与えて液面に液柱を形成し前記液体を霧化する超音波霧化装置において、微小な貫通孔が多数形成された多孔板と、前記多孔板を所定位置に配設するための配設手段とを備え、前記多孔板は弾性保持部材を介して前記配設手段に取り付け、この配設手段によって前記超音波振動の伝播方向前方において上面が前記液体に接触せずかつ下面が前記液柱に接触可能に配設して構成する。
【０００９】
前記多孔板は、厚さ０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の金属製薄板に上下方向（厚み方向）に貫通する微小な貫通孔を多数形成したものであればよく、平板状としても曲板状、椀状としてもよい。
前記多孔板に形成される微小な貫通孔は、孔径０．００３ｍｍΦ〜０．０５０ｍｍΦ程度のものが考えられ、多孔板下面側においてテーパー状に拡径する拡径部を備えたものとして形成することもできる（請求項２）。
【００１０】
そして、前記多孔板は、超音波振動の伝播方向前方において、その上面が容器内の液体に接触せず、かつ、超音波振動発振時に超音波振動によって液面に形成される液柱に下面が接触可能となるようにして配設されていればよい。すなわち、前記多孔板の下面は常時液体に接している必要はなく、超音波振動未発振時にあっては液体に接していなくてよい。
また、前記多孔板は、液体を伝播する超音波振動の進行方向に対して垂直に配設する必要はなく、これに対して傾斜させて配設してもよい。
【００１１】
前記多孔板と前記配設手段との間に介在して前記多孔板を前記配設手段に取り付ける弾性保持部材は、弾性素材を用いて前記多孔板上面への液体の浸入を防止しながら前記多孔板を弾性的に保持してこれを前記配設手段に取り付けることができるものであればよく、例えば低硬度のシリコンゴムで厚さ１ｍｍ程度のドーナツ板状に形成し、その内周縁に前記多孔板周縁を、外周縁に前記配設手段をそれぞれ取り付けることなどが考えられるが、これに限られるものではない。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、容器内の液体に超音波振動を与えて前記液体を霧化する超音波霧化装置において、超音波振動によって液面に形成される液柱に弾性保持部材で弾性的に保持された多孔板を接触可能に配設したので、激しく動く液柱内の液体の勢いが可及的に失われないように多孔板下面と液体とを接触させることができる。このとき、液柱内の液体は超音波振動の収束によって表面張力が剪断されやすい状態にあるが、このような状態の液体に多孔板が接触することによって液体の表面張力の剪断が促進される。そして、表面張力が剪断された液体は微小な貫通孔を通って大気中に勢いよく放出されるが、貫通孔の下面側（液柱と接触する側）と上面側（空気と接触する側）との間には大きな圧力差（水圧と大気圧）が生じていることから、急激な圧力変化の影響を受けて霧化されることとなる。
また、貫通孔を通る液体の速度は霧化粒子になってもそのまま維持されるので速度をもった霧として形成される。
すなわち、従来は自然に任せていた「液体の表面張力の剪断」を、弾性保持部材で保持された多孔板を用いて促進させるようにしたので、従来の超音波霧化装置と比較した場合、同じ条件下において霧化量を増大させることができる。
したがって、同じ霧化量を得ようとした場合、従来の装置よりも小さな超音波振動エネルギーで達成することができるので、省電力化が可能となる。
【００１３】
また、同じ霧化量を得るために必要とされる超音波振動子の駆動電力を従来よりも低減できるので、超音波振動子の発熱を抑えることもできる。このため、超音波振動子冷却用の冷却ファンを装置内に設ける必要がなくなり、さらには水切れ時などの無負荷状態における超音波振動子の破損防止回路を設ける必要がなくなる。
これにより、一層消費電力を低減させることができるとともに、回路や装置の小型化も実現できる。
【００１４】
さらに、多孔板の微小な貫通孔から噴出される霧は超音波振動エネルギーによって貫通孔の開口方向に勢いを持ったものとして形成されるので、多孔板の上面を所望の方向に向けて多孔板下面を液体に接触させることにより、所望の方向に向けて霧を飛散させることができる。すなわち、発生した霧を所望の方向に運ぶためにファンなどを用いて送風する必要もない。
この意味においても消費電力の低減、装置の小型化を実現することができる。
【００１５】
また、多孔板を超音波振動子から放射される超音波振動の伝播方向前方において、多孔板の上面が液体に接触せずかつ下面が液柱に接触可能となるようにして配設したので、液面における大きな液柱の形成が妨げられ、界面における液飛沫の発生を可及的に抑制することもできる。
【００１６】
また、多孔板は、超音波振動によって液面に形成される液柱に接触可能な位置に配設したので、大きな超音波振動エネルギーが含まれた液体に多孔板が接触することとなり、効率的に霧化を行うことができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、貫通孔は、多孔板の下面側においてテーパー状に拡径する拡径部を備えているので、貫通孔に向かって液体が流れやすくなり、霧がより噴出しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施例の概要図
【図２】異なる態様の配設手段を用いた実施例の概要図
【図３】貫通孔の拡大断面図
【図４】多孔板を傾斜させた実施例を示す図
【図５】この発明の実施例における霧化の様子を示す図
【図６】従来の超音波霧化装置の概要図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、この発明の超音波霧化装置の概要を示す図である。
霧化する水Ｗを収容する容器１の底には超音波振動子２が配設され、この超音波振動子２から放射される超音波振動の伝播方向前方の液面上方には、配設手段３を用いて多孔板４が超音波振動の伝播する水Ｗと下面４１が接触可能な高さに配設されている。
多孔板４の周縁にはシリコンゴム製の弾性保持部材５が取り付けられ、この保持部材５を介して多孔板４が合成樹脂製の配設手段３に取り付けられている。
この配設手段３は、多孔板４を上記位置に配設するための内壁３１を備え、容器１の開口部に着脱可能に取り付けられている。この内壁３１は多孔板４の周縁を取り囲むようにして形成することで、多孔板４を上記位置に配設するとともに多孔板４の上面４２に水Ｗが浸入することを防いでいる。この実施例において、配設手段３は容器１の開口部を塞ぐ蓋のような部材として構成してあるが、多孔板４を上記位置に配設できるものであればこの構成に限定されるものではなく、例えば、内壁３１の外側に水Ｗの出入りを遮断しないように脚３２を設けて容器１の底面に立設してもよい（図２参照）。
【００２０】
多孔板４はＳＵＳ・ニッケル合金を用いて厚さ約０．０５ｍｍの円板状に形成され、板の厚み方向に貫通した孔径０．００５ｍｍΦの微小な貫通孔６が０．０６ｍｍピッチで千鳥状に約７０００個形成されている。多孔板４に形成された貫通孔６は、多孔板４の下面側４１にテーパー状に拡径する拡径部６１を備えている（図３参照）。
【００２１】
配設手段３と多孔板４との間に介在するシリコンゴム製の弾性保持部材５は、厚さが約１ｍｍのドーナツ板状に形成されており、その内周縁部には多孔板４の外縁が、外周縁部には配設手段３がそれぞれ取り付けられている。
【００２２】
超音波振動子２は公知の超音波振動子を用いることができるが、この実施例においては、圧電セラミックスの上下面を電極で挟んで平板状に構成された圧電型超音波振動子を用いてある。超音波振動子２には発振回路７が接続されており、この発振回路７から超音波振動子２に高周波電圧を印加することにより、容器１内の水Ｗに対して垂直方向に超音波振動が発振される。
また、この超音波振動子２は、超音波振動が容器１内の水Ｗに放射されるよう振動面が液体に接するように配設されていればよく、この実施例においては容器１の底面に配設してあるが、これに限られるものではない。
【００２３】
次に、この超音波霧化装置の動作を説明する。
超音波振動子２に高周波電圧を印加すると、超音波振動子２から超音波振動が発振され水Ｗの中を垂直方向に伝播していく。この超音波振動は水Ｗの水面に到達するとほとんどが反射して下方に向かい、発振中の超音波振動子２の振動面及び容器１の底面にぶつかって再び上方に向かう。このような超音波振動の伝播が繰り返されることにより、次第に水Ｗ内を伝播する超音波振動エネルギーが強まり、その伝播方向前方の水面を隆起させて水柱を形成する。
超音波振動の伝播方向前方の水面上方には、微小な貫通孔６を備えた多孔板４が超音波振動の伝播する水Ｗに下面４１が接触可能に配設されているので、超音波振動エネルギーによって隆起した水柱が多孔板４の下面４１と接触する。このとき、水柱内の水Ｗは超音波振動によって激しく動いているが、多孔板４は薄板状のシリコンゴム製弾性保持部材５によって弾性的に保持され比較的自由な動きが許容されるので、水Ｗの動きにある程度対応して動くことが可能であり、水Ｗの激しい動きを大きく損なうことなく水Ｗと接触することができる。
このとき、隆起した水Ｗには超音波振動によって液面や液内部にキャピラリ波（毛細表面波）やキャビテーション（空洞現象）が生じて表面張力の剪断が既にある程度発生しているが、この状態の水Ｗが貫通孔６を通って多孔板４の上面４２側から気体中に押し出され、水圧から大気圧への急激な圧力変化の影響を受け、勢いのある霧として噴出される。
また、微小な貫通孔６は、多孔板４の下面側において次第にテーパー状に拡径する拡径部６１を備えているので水Ｗが貫通孔６に流れやすく、霧が噴出しやすくなっている。
【００２４】
ここで、水Ｗに多孔板４を接触させない場合には、超音波振動子２から放射された超音波振動が集束すると水面に水柱が形成され、そこから自然発生的に霧が形成されることとなるが、この発明の超音波霧化装置を用いれば、この水柱を塞ぐ形で微小な貫通孔６を備えた多孔板４を水Ｗの水柱に接触させているので、大きな水柱の形成が阻止される。すなわち、界面における液飛沫の発生を可及的に抑制しつつ、超音波振動エネルギーを利用して多孔板４の貫通孔６から勢いのある霧を噴出させることができる。
また、多孔板４の上面４２を所望の方向に向けるようにして傾斜させて水Ｗに接触させれば、その方向に向かって霧を噴出させることもできる（図４参照）。
【００２５】
図５は、この発明の超音波霧化装置を用いて形成された実際の霧の様子を示す図であり（配設手段３は図２に示した例による。）、霧が勢いよく噴出されていることが確認できる。
【００２６】
以下に、この発明の超音波霧化装置を用いた霧化の実験例を示す。
なお、各実験において特別な記載がない場合には、以下を共通条件として実験を行った。
［容器の内側のサイズ］：高さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、奥行１００ｍｍ
［超音波振動子］：圧電型超音波振動子（直径２０ｍｍ・厚さ０．２ｍｍの円板状）
［多孔板］：ＳＵＳ・ニッケル合金製、直径５．５ｍｍ・板厚０．０５ｍｍの円板状、貫通孔は孔径０．００５ｍｍΦで下面側にテーパー状の拡径部を備え、０．０６ｍｍピッチで千鳥状に約７０００個形成
［弾性保持部材］：シリコンゴム製（硬度２０°）、外径２０ｍｍ・内径５．０ｍｍ・厚さ１．０ｍｍのドーナツ板状
［霧化する液体］：水
［電源］：入力ＡＣ１００Ｖ５０Ｈｚ、出力ＤＣ１５Ｖ７００ｍＡ
【００２７】
＜実験例１＞
実験例１は、容器１内の水Ｗの水深を１８ｍｍ（水量１８０ｍｌ）、多孔板下面４１の水面からの高さを６．２ｍｍとし、超音波振動子２の共振周波数を１．７ＭＨｚと２．４ＭＨｚとした場合の霧化量を、多孔板４を配設しない場合の霧化量と比較したものである。
【表１】
2013221633.tif 000003
この実験によれば、容器１内の水Ｗの水深（水量）と多孔板４の水面からの高さを同じ条件とした場合、何れの周波数についても、多孔板４を配設した場合の霧化量の方が、多孔板４なしの場合よりも大幅に増加していることが確認できる。
【００２８】
＜実験例２＞
実験例２は、容器１内の水Ｗに与える超音波振動子の周波数を１．７ＭＨｚ、多孔板４の水面からの高さを６．２ｍｍとし、容器１内の水Ｗの水深を変化させた場合の霧化量を、多孔板４を配設しない場合の霧化量と比較したものである。
【表２】
2013221633.tif 000004
この実験によれば、容器１内の水Ｗの水深（水量）と多孔板４の水面からの高さを同じ条件とした場合、水深（水量）を変動させても、多孔板４を配設した場合の霧化量の方が、多孔板４なしの場合よりも大幅に増加していることが確認できる。
この実験では周波数を１．７ＭＨｚとしたが、周波数条件を変えた場合であってもこれと同様の結果が得られることが予想される。
【００２９】
上記実験例１，２より、多孔板４を水面から高さ６．２ｍｍに配設して超音波振動の伝播した水Ｗに接触させた場合、周波数、水深（水量）の条件を変えても、従来の装置より霧化量を増大させることができることが分かる。
【００３０】
＜実験例３＞
実験例３は、容器１内の水Ｗの水深を２３．０ｍｍ（水量２３０ｍｌ）とし、超音波振動子の周波数ごとに多孔板４の水面からの高さを変化させた場合における霧化量の変化を見るための実験である。
【表３】
2013221633.tif 000005
この実験によれば、容器１内の水Ｗの水深（水量）を同じ条件（水深２３．０ｍｍ）とした場合、何れの超音波振動子の周波数においても、多孔板４下面と水面との間に間隙を設けて水面に形成される水柱に多孔板４の下面４１を接触させて霧化を行った場合に霧化量を大幅に増大させることができ、多孔板の高さを６．２ｍｍとした場合に最大の霧化量となることが分かる。
【００３１】
＜実験例４＞
実験例４は、超音波振動子の周波数ごとに、容器１内の水Ｗの水深と多孔板４の水面からの高さをそれぞれ変化させた場合における霧化量の変化を見るための実験である。
【表４】
2013221633.tif 000006
この実験によれば、多孔板４を平常時（超音波振動未発振時）に水面に接触せず
超音波振動発振時にのみ接触する位置（すなわち、超音波振動によって水面に形成される水柱に多孔板４が接触する位置）に配設した場合、何れの周波数においても、水深にかかわらず霧化量が大幅に増大していることが分かる。
【００３２】
＜実験例５＞  
実験例５は、シリコンゴム製の弾性保持部材５の硬度を変化させた場合の霧化量の変化を見るための実験である。なお、超音波振動子の周波数は１．７ＭＨｚ、水Ｗの水深は１９ｍｍ（水量１９０ｍｌ）、弾性保持部材５の厚さは１．０ｍｍとし、多孔板４の水面からの高さは２通りで行った。
【表５】
2013221633.tif 000007
この実験によれば、シリコンゴムの硬度に関わらず、霧化量を増大させることができることが分かる。
【００３３】
＜実験例６＞
実験例６は、シリコンゴム製の弾性保持部材５で多孔板４を保持した場合とピンセットで直接保持した場合の霧化量の違いを見るための実験である。なお、超音波振動子の周波数は１．７ＭＨｚ、水Ｗの水深は１８ｍｍ（水量１８０ｍｌ）、多孔板４の水面からの高さは６．２ｍｍ、シリコンゴムの硬度は５°とした。
【表６】
2013221633.tif 000008
この実験によれば、シリコンゴム製の弾性保持部材５を用いた場合に霧化量を大幅に増大させることができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
この発明は、超音波振動を利用して容器内の液体を霧化する超音波霧化装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。
【符号の説明】
【００３５】
１    容器
２    超音波振動子
３    配設手段
３１  内壁
３２  脚
４    多孔板
４１  多孔板下面
４２  多孔板上面
５    弾性保持部材
６    貫通孔
６１  下面側拡径部
７    発振回路
Ｗ    水
【図１】
2013221633.tif 000009
【図２】
2013221633.tif 000010
【図３】
2013221633.tif 000011
【図４】
2013221633.tif 000012
【図５】
2013221633.tif 000013
【図６】
2013221633.tif 000014